磁各向異性能

磁各向異性能定義為飽和磁化強度矢量在鐵磁體中取不同方向而改變的能量。即，沿鐵磁體的難、易磁化軸磁化時所需要的磁化能的大小是不同的，在易磁化方向需要的磁化能最小，而難磁化方向需要的磁化能最大，這種與磁化方向有關的能量稱為磁各向異性能。

基本介紹

• 中文名：磁各向異性能
• 外文名：Magnetic anisotropy energy
• 類別：磁性材料

簡介

分類

磁各向異性按其起源物理機制可以分成以下幾類：

(1) 磁晶各向異性；(2) 形狀磁各向異性；(3) 應力磁各向異性；(4) 感生磁各向異性；(5) 交換磁各向異性。

磁各向異性能包括上述五類向異性所對應的各向異性能。

注意事項

上述五類磁各向異性中只有磁晶各向異性是磁性單晶體所固有的，其它類型，在廣義上說，都是被感生出來的。然而感生磁各向異性，不包括(2)(3)和(5)類型，而是指下述四種：①磁場熱處理感生各向異性；②彈性形變感生各向異性；③生長感生各向異性；④輻照感生各向異性。

性質

磁晶各向異性是描述磁性單晶體的磁各向異性。它反映出結晶體的磁化與結晶軸有關的特性。

形狀磁各向異性是反映沿磁體不同方向磁化與磁體幾何形狀的特性。在磁體內，當磁矩取向一致時，就會在磁體表面產生磁極，形成退磁能。這種退磁能取決於磁體的幾何形狀。如由細長微粒組成的磁體、磁性薄膜等都有很強的形狀磁各向異性。

製備工藝對薄膜垂直磁各向異性能的影響

採用射頻磁控濺射法製備了 TbCo 非晶垂直磁化膜，並就製備工藝及參數對其磁各向異性能的影響進行了研究。結果表明：磁性層組分、濺射氣壓、基片偏壓以及後退火溫度對 TbCo 非晶垂直磁化膜的磁各向異性能都有不同程度的影響。

多靶磁控濺射

TbCo 薄膜的製備是在SPF-430H 多靶磁控濺射系統上採用射頻磁控濺射方法進行的。基片為玻璃，濺射時保持基片水冷。濺射用靶分別為 Cr 靶、Co 基複合靶，以及 SiO2 靶。複合靶成分的調節是靠調整Co 靶上所放置的Tb 片數來實現。為了保證 TbCo 薄膜不易氧化和磨損，表面還濺射了一層 SiO2 保護膜。濺射按照 Cr 底層、TbCo 磁性層及 SiO2 保護層的順序進行。濺射之前系統真空度優於 1.33×10^-4 Pa。各層的濺射功率分別為 250、375 和300 W。薄膜內各層的厚度靠濺射時間來控制。樣品的後退火是在 GZKT-1 型真空退火爐上進行。

XRD 分析

採用磁控濺射法所製備的TbCo薄膜具有較強的垂直磁各向異性能。採用合適的數學方法可以計算出樣品的磁各向異性能，其結果為 Ku =2.85×10⁵ J/m³。

Tb 含量在 22%~38%（at%，下同）之間時，磁各向異性能 K_u 都有較大值，Tb 含量為 30% 左右時，磁各向異性能 K_u 達極大值。Tb 含量過多或過少，其磁各向異性能 K_u 都會下降。由於濺射態的 TbCo 薄膜為非晶相，其垂直各向異性與短程有序度相關，而 Tb 的含量又決定短程有序度，因此 TbCo 磁性層的組分不同，其磁各向異性能也將會不同。

對於 Tb₂₂Co₇₈ 薄膜，濺射氣壓為 1.06 Pa 時，K_u 值為負值，表明此時薄膜的易磁化軸有偏向面內的趨勢，濺射氣壓超過 1.33 Pa 以後，K_u 值也開始緩慢上升。濺射氣壓低於 0.27 Pa 時，K_u受薄膜組分的影響不大。產生這一現象的原因，可能是由於濺射氣壓較低時，從靶上濺射下來的原子幾乎可以保持初始的動能到達基片，但隨著氣壓的升高，Ar⁺與從靶上濺射下來的原子碰撞的幾率增大，從而影響薄膜原子在基片上的沉積情況，相應地會影響薄膜的微觀結構，而薄膜的微觀結構將會影響薄膜的磁各向異性。

對於基片加偏壓影響薄膜磁各向異性能 K_u 值的原因，KusudaT 認為基片加偏壓會使薄膜內會產生柱狀結構，正是這一微觀結構的改變，使得稀土—— 過渡金屬非晶薄膜磁各向異性能 K_u 值發生顯著變化。

從後退火對 TbCo 薄膜磁各向異性能 K_u的影響可看出富Tb 的TbCo 薄膜的熱穩定性比富 Co 的 TbCo 薄膜的熱穩定性高。後退火影響薄膜磁各向異性能的主要原因為：濺射法製備的稀土——過渡金屬薄膜記憶體在細小的納米晶粒，而加熱會增強原子的熱運動，提高原子之間的鍵合幾率，促使納米晶長大，晶粒長大會導致薄膜內微觀結構向長程有序發展，從而改變薄膜的磁各向異性。

單分子磁體磁各向異性能調控歸類方法

單分子磁體作為下一代高密度信息存儲及處理材料受到極大的關注。該類材料面臨的挑戰主要是可套用溫度（也稱阻塞溫度，由自旋翻轉能壘控制）過低。實驗結果表明造成自旋翻轉能壘過低的一個原因是量子隧穿效應，但這可以通過對稱性加以控制。理論上，嚴格具有三次軸對稱性以上的分子並不存在量子隧穿效應。因此，通過理性的選擇配體選擇，利用配體的高對稱性及位阻效應，把單核配合物的對稱性限制在特定的範圍，可提高自旋翻轉能壘。另外，分子間作用力也是導致量子遂穿的一個重要因素，該因素可以通過稀釋磁性離子來調控磁各向異性能。在配位幾何調控及磁稀釋方面對單核分子磁體磁各向異性能進行了探索，得到了一些具有規律性的初步結果，其中有些化合物產生了較高的磁慢弛豫能壘。

另外，分子磁體的概念從Kahn提出，已經有20多年的歷史。分子磁體從功能上，可以分為很多種，例如：單分子（包括單離子、單鏈）磁體、磁長程有序磁體（或稱經典磁體）、變磁體、自旋玻璃、自旋交叉轉換材料以及分子磁製冷劑等。然而，從功能上分類無法區分各種類型的磁結構。從磁性-結構的關係出發，提出了一種基於磁性-結構關係的新的歸類方法。理論上，除了一些比較表現出比較複雜磁性的化合物，任何一種單純磁行為的分子基磁性材料都可以用符號M^xU^yS^z來表示。其中M代表材料的整體磁性，U代表構築該材料的磁基元的磁性，S代表的是結構，而上標x、y、z則分別代表M、U、S的維度。由於磁基元的磁性維度不能超過整體磁性，即x≤ y， 因此總共只有40種基本符號，如Fig。1所示。對於變磁體及多種磁性共存的磁性材料，為了更明確地表示，x則需要拆分成p、q，可以用符號M^p-qU^yS^z或M^p-qU^yS^z來表示。其中，p-q表示由p維度的磁行為變為q維度的磁行為，而p，q則表示p維度磁行為與q維度磁行為共存。